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針對驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子進行結(jié)構(gòu)接觸非線性分析

電子設計 ? 來源:電子設計 ? 作者:電子設計 ? 2022-02-22 15:37 ? 次閱讀

1、前言

世界汽車技術(shù)正朝著節(jié)能、環(huán)保、安全等方向發(fā)展,汽車的能量消耗與汽車自身質(zhì)量成正比,因此,要想減少不必要的能量消耗,應在保證安全的前提下盡量減輕汽車自身質(zhì)量。對于電動汽車來說,電池、電機和車身結(jié)構(gòu)件所占整車質(zhì)量的比例較高,從電池、電機和車身結(jié)構(gòu)入手減輕質(zhì)量,對電動汽車整車的輕量化效果十分顯著。

本文將介紹針對驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子進行結(jié)構(gòu)接觸非線性分析,在保證結(jié)構(gòu)強度滿足設計要求的前提下,為下一步的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。

2、仿真分析說明

內(nèi)嵌式永磁電機采用轉(zhuǎn)子沖片內(nèi)嵌磁鋼塊且磁極表面對稱分布的方式,不僅使電機反電動勢波形得到優(yōu)化,而且有效的抑制了電機齒槽力矩和負載力矩擾動。在電機高速運轉(zhuǎn)時,電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)主要承受離心力、電磁力和永磁體吸引力的作用,研究結(jié)果表明,離心力是影響電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強度的主要因素。本文在進行電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強度分析時,主要考慮電機轉(zhuǎn)子在離心力作用下的結(jié)構(gòu)強度。電機轉(zhuǎn)子幾何模型如下圖1所示。

3、模型前處理

在SCDM中建立轉(zhuǎn)子沖片與磁鋼模型,轉(zhuǎn)子外徑100mm,磁鋼數(shù)量12個。轉(zhuǎn)子沖片與磁鋼之間建立接觸對,工12對。定義為摩擦接觸,摩擦系數(shù)0.15。進行網(wǎng)格劃分,共劃分32萬節(jié)點,6.4萬單元。

4、求解設置及邊界條件

求解設置中,打開自動時間步長功能,載荷步設置為1s,初始子步設為50,最小子步數(shù)為10,最大子步數(shù)為100。

轉(zhuǎn)子內(nèi)圈施加固定約束,轉(zhuǎn)子與磁鋼兩側(cè)面施加無摩擦約束,整個模型施加角速度1200rad/s。

5、計算過程及結(jié)果

5.1 計算過程

由于計算中存在接觸非線性,所以計算過程需要進行迭代求解,計算過程曲線如下圖所示。

5.2 計算結(jié)果分析

轉(zhuǎn)子最大應力64MPa,發(fā)生在沖片中間較狹窄位置,,最大位移為0.0028mm,發(fā)生在轉(zhuǎn)子接觸位置的最外側(cè)。

轉(zhuǎn)子沖片與磁鋼片主要接觸位置為沖片外側(cè),以及凸臺位置。這是由于磁鋼受離心力的影響,有向外運動的趨勢。

離心力使磁鋼向外運動到與沖片緊密相連,除局部外,整體遵循離軸線越遠,位移越大的規(guī)律,最大為0.0028mm。在磁鋼與沖片相交的拐角處,出現(xiàn)了相對較大的局部應力,最大應力為64MPa,這個連接部位較窄,剛度較弱。另外,在轉(zhuǎn)子沖片開孔的凸臺處,顯然存在應力集中。

6、結(jié)論

從上圖可以看到,通過以上的非線性分析,可以得到的結(jié)論為:

1) 在1200rad/s的轉(zhuǎn)速下,離心力引起的轉(zhuǎn)子變形和應力不會造成結(jié)構(gòu)的破壞;

2) 相鄰磁鋼連接處的部位為結(jié)構(gòu)的脆弱部位,可考慮適當增大此處的寬度。

轉(zhuǎn)子強度分析是進行優(yōu)化設計的基礎,在保證足夠的強度下,才有進一步進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的空間。

本文形成的電機轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)強度分析方法,能有效的指導電機轉(zhuǎn)子的設計工作,并應用于后續(xù)的電機產(chǎn)品開發(fā)過程中。通過實現(xiàn)仿真與設計同步工程,使CAE工作在概念設計階段介入,盡早發(fā)現(xiàn)設計缺陷并及時進行結(jié)構(gòu)改進,可以將設計問題降至最低,提高設計的可靠性和設計質(zhì)量,縮短設計周期。

審核編輯:何安

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